JP2006519707A - System and method for electrical feedthrough embedded in a glass-silicon MEMS process - Google Patents
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Abstract
気密密封されたキャビティ内に電気伝導経路を提供するための方法を記載する。密封されたキャビティは、シリコン−ガラス微小電子機械ストラクチャ(MEMS)プロセスを利用して形成され、該方法は、電気伝導経路がキャビティ内に通る場所に凹部(82)をガラス基板(80)上に形成し、凹部およびその周りに伝導リード(86)を形成する。ガラス層(92)は、基板上、凹部の中、及び、伝導リードの上にわたって堆積され、次いで、伝導リードの一部(88)を露出させるために平坦化される。次いで、シリコンは平坦化されたガラス層の密封表面にボンディングされ(154)、ウェハ(120)は、各リードの一部が密封されたキャビティ内にあり、各リードの他の一部が密封されたキャビティの外側にあるように構成される。A method for providing an electrically conductive path in a hermetically sealed cavity is described. The sealed cavity is formed utilizing a silicon-glass microelectromechanical structure (MEMS) process, which includes a recess (82) on the glass substrate (80) where the electrical conduction path passes into the cavity. Form a recess and a conductive lead (86) around it. A glass layer (92) is deposited over the substrate, in the recesses and over the conductive leads and then planarized to expose a portion (88) of the conductive leads. Silicon is then bonded (154) to the sealing surface of the planarized glass layer, and the wafer (120) is in a cavity where a portion of each lead is sealed and the other portion of each lead is sealed. Configured to be outside the cavity.
Description
本発明は、全体として微小電子機械構造(MEMS)プロセスに関し、特に、MEMSプロセスにおいて形成される密封されたキャビティの内側から外側への電気的な接続に関する。 The present invention relates generally to microelectromechanical structure (MEMS) processes, and more particularly to the electrical connection from the inside to the outside of a sealed cavity formed in the MEMS process.
ガラス(通常はパイレックス(登録商標))基板にパターンニングされたシリコンウェハをボンディングすることは、微小電子機械構造(MEMS)を提供する方法の一つである。シリコンウェハの一部は、エッチングされ、ガラス基板に固定された機械的なシリコンストラクチャが残る。かかるプロセスは、ガラスウェハで初期化される。ウェット又はドライエッチングプロセスを用いて、ウェハにキャビティが形成される。エッチングの深さは、ストラクチャの容量エレメントの間の分離間隙を決定する。金属層がガラス上に堆積され、パターンニングされ、伝導電極及び相互接続を形成する。高濃度ボロンドープ(p++)エピタキシャル層が、低濃度ドープシリコン基板と別々に成長される。パターンは、エピタキシャル層の厚さよりも深さが深くなるまでシリコンウェハにエッチングされる。ガラス及びシリコンウェハは、アノード・ボンディングを使用して一緒にボンディングされる。p++シリコンではなく、低濃度ドープシリコンをエッチングするエッチャントを使用したとき、シリコン基板のアンドープの部分は、エッチングで除去され、自立的に立っている微細構造が残る。かかるプロセスは、ここではシリコン−ガラスMEMSプロセスとして一般的に参照する。 Bonding a patterned silicon wafer to a glass (usually Pyrex®) substrate is one method of providing a microelectromechanical structure (MEMS). A portion of the silicon wafer is etched, leaving a mechanical silicon structure secured to the glass substrate. Such a process is initialized with a glass wafer. A cavity is formed in the wafer using a wet or dry etching process. The depth of the etch determines the separation gap between the capacitive elements of the structure. A metal layer is deposited on the glass and patterned to form conductive electrodes and interconnects. A heavily boron doped (p ++) epitaxial layer is grown separately from the lightly doped silicon substrate. The pattern is etched into the silicon wafer until it is deeper than the thickness of the epitaxial layer. The glass and silicon wafers are bonded together using anodic bonding. When an etchant that etches lightly doped silicon rather than p ++ silicon is used, the undoped portion of the silicon substrate is removed by etching, leaving a self-supporting microstructure. Such a process is generally referred to herein as a silicon-glass MEMS process.
機械的構造は、作動中に周囲の環境に晒される。それ故、構造が、特別な作動環境、又は、周囲の環境から簡単に保護することを要求するならば、保護はパッケージングステップでなされる必要がある。 The mechanical structure is exposed to the surrounding environment during operation. Therefore, if the structure requires simple protection from the special operating environment or the surrounding environment, protection needs to be done in the packaging step.
一つのパッケージングステップは、気密密封されたキャビティ内でシリコン−ガラスMEMSプロセスで機械的構造を形成することである。かかるキャビティを形成するための方法に関して周知なことは、凹部を包含する、シリコン構造をガラスウェハにボンディングすることである。p++シリコン層を介して全ての方向に伸びるのではない凹部分が、ボンディングの後にキャビティを形成する。あいにく、この方法を使用すると、キャビティ壁に接続されるのではなく、キャビティによって完全に囲まれた、例えば、振動センサのようなシリコン構造体を作ることが困難である。 One packaging step is to form a mechanical structure with a silicon-glass MEMS process in a hermetically sealed cavity. A well known method for forming such cavities is to bond a silicon structure containing a recess to a glass wafer. Recesses that do not extend in all directions through the p ++ silicon layer form cavities after bonding. Unfortunately, using this method, it is difficult to create a silicon structure, such as a vibration sensor, that is completely connected by the cavity, rather than being connected to the cavity wall.
他の方法は、先に製造されたガラス/シリコン・ウェハの頂部に、凹部を包含する第2のガラスウェハをボンディングすることである。少なくとも、シリコン構造体の一部は、第2のシリコン構造体(即ち、振動センサ)を完全に囲むが、接続されていない連続密封リングである。第2のガラスウェハは、密封リングに接続されるが、キャビティを形成する第2のシリコン構造体にはボンディングされない。 Another method is to bond a second glass wafer containing a recess to the top of a previously fabricated glass / silicon wafer. At least a portion of the silicon structure is a continuous sealing ring that completely surrounds the second silicon structure (ie, vibration sensor) but is not connected. The second glass wafer is connected to the sealing ring but not bonded to the second silicon structure forming the cavity.
しかしながら、密封を破壊することなく、気密密封キャビティ内にキャビティの外から電気的導線を延ばすことはできない。電気的導線の形状が、ガラス構造体の表面の平坦でないトポグラフィーを形成するので、密封を達成することはより困難である。導線が基板上に形成する小さなギャップが生じる。かかるギャップにより、平坦でない密封表面が生まれ、気密密封を破壊する境界のない領域が生じる。アノードボンディングは、この問題を緩和するのに試みられるために用いられてきた一つの方法である。しかしながら、アノードボンディングは、約200オングストローム又はそれより小さい変動の平坦でない領域にだけ適用することができ、アノードボンディング密封に巻する長時間のリーク割合は不明である。それ故、信頼性の高い気密密封を介して伸びる電線のために、密封を形成するのに使用される都歩グラフィーが実質的に平らであるべきである。 However, it is not possible to extend the electrical lead from outside the cavity into the hermetic cavity without breaking the seal. Sealing is more difficult to achieve because the shape of the electrical conductors forms an uneven topography of the surface of the glass structure. There is a small gap that the conductor forms on the substrate. Such a gap results in a non-planar sealing surface and an unbounded region that breaks the hermetic seal. Anodic bonding is one method that has been used to attempt to alleviate this problem. However, anodic bonding can only be applied to non-planar regions with variations of about 200 angstroms or less, and the long-term leak rate wound on the anodic bonding seal is unknown. Therefore, for wires that extend through a reliable hermetic seal, the metrology used to form the seal should be substantially flat.
ある態様では、気密密封されたキャビティ内に電気伝導経路を提供する方法を提供し、該方法では、前記密封されたキャビティはシリコン−ガラスMEMSプロセスを利用して形成されることを特徴とする。前記方法は、電気伝導経路がキャビティ内に通される位置でガラス基板の表面に凹部(recess)を形成し、該凹部及びその周りで伝導リードを形成することを含む。次いで、ガラス層は、基板の上、凹部内部、及び、伝導リードの上にわたって堆積される。堆積されたガラス層は、伝導リードの一部を露出させるレベルまで平坦化される。密封された表面は、ガラス層の少なくとも一部に形成され、シリコンは平坦化されたガラス層の密封表面にボンディングされる。シリコンは、各リードの一部が密封されたキャビティ内にあり、各リードの他の一部が密封されたキャビティの外側にあるように位置決めされる。 In one aspect, a method is provided for providing an electrical conduction path within a hermetically sealed cavity, wherein the sealed cavity is formed utilizing a silicon-glass MEMS process. The method includes forming a recess in the surface of the glass substrate where the electrical conduction path is passed through the cavity, and forming a conductive lead around the recess. A glass layer is then deposited over the substrate, inside the recess, and over the conductive leads. The deposited glass layer is planarized to a level that exposes a portion of the conductive lead. A sealed surface is formed on at least a portion of the glass layer, and silicon is bonded to the sealed surface of the planarized glass layer. The silicon is positioned such that a portion of each lead is in the sealed cavity and the other portion of each lead is outside the sealed cavity.
他の態様では、気密密封されたキャビティを備えた構造体を提供する。該構造体は、密封されたキャビティの外側から密封されたキャビティの内側に通る少なくとも一つの電気伝導経路を有する。該構造体は、電気信号が、密封されたキャビティ内に通され、伝導リードが凹部に及びその周りに形成される凹部を備えたガラス基板を有する。該構造体は更に、基板の上にわたって堆積されたガラス層を有し、更に、該ガラス層は凹部及び伝導リードの上にも堆積される。ガラス層は、凹部の周りの伝導リードの一部のレベルまで平坦化される。シリコンは、キャビティを形成するために平坦化されたガラス表面にボンディングされる。シリコンは、各伝導リードの一部が密封されたキャビティ内にあり、各伝導リードの他の一部が密封されたキャビティの外側にあるように製造される。 In another aspect, a structure with a hermetically sealed cavity is provided. The structure has at least one electrically conductive path that passes from the outside of the sealed cavity to the inside of the sealed cavity. The structure has a glass substrate with a recess in which electrical signals are passed into a sealed cavity and conductive leads are formed in and around the recess. The structure further includes a glass layer deposited over the substrate, and the glass layer is also deposited over the recesses and the conductive leads. The glass layer is planarized to the level of a portion of the conductive lead around the recess. Silicon is bonded to the planarized glass surface to form cavities. Silicon is fabricated such that a portion of each conductive lead is in a sealed cavity and the other portion of each conductive lead is outside the sealed cavity.
更に別の態様では、微小電子機械システム(MEMS)ジャイロスコープを提供し、それは、ハウジング、該ハウジング内に配置されたジャイロスコープエレクトロニクス、該ハウジング内の気密密封されたキャビティを定義する構造体、及び、気密密封されたキャビティ内に配置されたチューニングフォークジャイロスコープを含む。構造体は、ジャイロスコープエレクトロニクスとチューニングフォークジャイロスコープとの間に電気伝導を提供する複数の電気的フィードスルーと、電気的フィードスルーが気密密封されたキャビティの内外に通る凹部を備えたガラス基板とを有する。構造体はまた、基板と、凹部の電気的フィードスルーとの上にわたって堆積されたガラス層を有する。ガラス層は、凹部の周りの電気的フィードスルーの一部のレベルまで平坦化され、シリコンは該平坦化されたガラス層にボンディングされる。シリコンは、各電気的フィードスルーの一部が気密密封されたキャビティ内にあり、各電気的フィードスルーの他の一部が気密密封されたキャビティの外側にあるように製造される。 In yet another aspect, a microelectromechanical system (MEMS) gyroscope is provided that includes a housing, gyroscope electronics disposed within the housing, a structure defining a hermetically sealed cavity within the housing, and Including a tuning fork gyroscope disposed within a hermetically sealed cavity. The structure includes a plurality of electrical feedthroughs that provide electrical conduction between the gyroscope electronics and the tuning fork gyroscope, and a glass substrate with a recess that passes through the interior and exterior of the hermetically sealed cavity. Have The structure also has a glass layer deposited over the substrate and the electrical feedthrough in the recess. The glass layer is planarized to the level of some of the electrical feedthrough around the recess and silicon is bonded to the planarized glass layer. Silicon is manufactured such that a portion of each electrical feedthrough is in a hermetically sealed cavity and another portion of each electrical feedthrough is outside the hermetically sealed cavity.
更に別の態様では、チューニングフォークジャイロスコープとジャイロスコープエレクトロニクスとの間に電気伝導を提供するための方法を提供する。チューニングフォークジャイロスコープは、気密密封されたキャビティ内に配置され、前記方法は、電気的経路がキャビティ内に通されるどの場所でもガラス基板に凹部を形成し、該凹部に及びその周りに伝導リードを堆積させることを有する。ガラス層は、基板の上、凹部の中、および、リードの上、にわたって堆積される。該堆積されたガラス層は、凹部の周りのリードの一部のレベルまで平坦化され、各リードの第1のコンタクト及び第2のコンタクトを露出させる。チューニングフォークジャイロスコープは、リードの第1のコンタクトと接触するように配置され、ジャイロスコープエレクトロニクスは、各リードの第2のコンタクトに接続される。 In yet another aspect, a method is provided for providing electrical conduction between a tuning fork gyroscope and a gyroscope electronics. The tuning fork gyroscope is placed in a hermetically sealed cavity and the method forms a recess in the glass substrate wherever the electrical path passes through the cavity, and a conductive lead in and around the recess. Having a deposit. A glass layer is deposited over the substrate, in the recesses, and over the leads. The deposited glass layer is planarized to the level of a portion of the leads around the recess, exposing the first and second contacts of each lead. The tuning fork gyroscope is placed in contact with the first contact of the lead, and the gyroscope electronics is connected to the second contact of each lead.
他の態様では、シリコン−ガラス微小電子機械ストラクチャ(MEMS)プロセスを利用して形成された気密密封されたキャビティ内に電気伝導経路を提供するための方法を提供する。該方法は、電気伝導経路をキャビティ内に通す凹部をガラス基板に形成させ、凹部の外に延びるリードを凹部に形成させ、伝導リードに凹部を満たすガラスディポジットを堆積させ、リードの端を晒すのに残し、基板の上部表面のレベルまでガラスディポジットを平坦化させ、気密密封が形成され、平坦化されたガラスディポジット及び基板の上部表面にシリコンウェハをボンディングさせることを有する。 In another aspect, a method is provided for providing an electrically conductive path within a hermetically sealed cavity formed utilizing a silicon-glass microelectromechanical structure (MEMS) process. The method includes forming a recess in the glass substrate through the electrical conduction path into the cavity, forming a lead extending outside the recess in the recess, depositing a glass deposit filling the recess on the conductive lead, and exposing the end of the lead. And planarizing the glass deposit to the level of the upper surface of the substrate, forming a hermetic seal, and bonding the silicon wafer to the planarized glass deposit and the upper surface of the substrate.
更に別の態様では、気密密封されたキャビティを備え、該気密密封されたキャビティの外側から内側に通る少なくとも1つの電気伝導経路を備えた構造体を提供する。該構造体は、電気信号を密封されたキャビティ内に通す凹部と上部表面を備えたガラス基板と、前記凹部に堆積された伝導リードと、前記伝導リードに堆積されたガラスディポジットとを有する。ガラスディポジットは、基板の上部表面のレベルまで平坦化された上部表面を有する。構造体はまた、ガラスディポジットの上部表面及び基板の上部表面にボンディングされたシリコンを有する。シリコンは、各伝導リードの一部が密封されたキャビティ内にあり、各リードの他の一部が密封されたキャビティの外側にあるように製造される。 In yet another aspect, a structure is provided that includes a hermetically sealed cavity and includes at least one electrically conductive path that passes from the outside to the inside of the hermetically sealed cavity. The structure includes a glass substrate having a recess and an upper surface for passing an electrical signal through a sealed cavity, a conductive lead deposited in the concave, and a glass deposit deposited on the conductive lead. The glass deposit has an upper surface that is planarized to the level of the upper surface of the substrate. The structure also has silicon bonded to the upper surface of the glass deposit and the upper surface of the substrate. Silicon is manufactured such that a portion of each conductive lead is in a sealed cavity and the other portion of each lead is outside the sealed cavity.
更に別の態様では、コンポーネントの間に電気伝導を提供するための方法を提供する。該方法は、電気伝導がなされる場所でガラス基板に凹部を形成し、凹部の外に延びる伝導リードを凹部内に堆積させ、伝導リードの上にガラスディポジットを形成し、凹部を満たし、電気伝導のために伝導リードの一部を露出させることを含む。 In yet another aspect, a method is provided for providing electrical conduction between components. The method forms a recess in a glass substrate where electrical conduction is made, deposits a conductive lead extending outside the recess in the recess, forms a glass deposit on the conductive lead, fills the recess, and conducts electricity. Exposing a portion of the conductive lead for the purpose.
図1は、微小電子機械システム(MEMS)ジャイロスコープ10の概略図である。MEMSジャイロスコープ10は、チューニングフォークジャイロスコープ(TFG)14をその内部に含むハウジング12を有する。ハウジング12は、プラスチックパッケージ、小型化集積回路(SOIC)パッケージ、プラスチックリードレスチップキャリア(LCC)パッケージ、クォド・フラット・パッケージ(QFP)、又は、当該技術分野において他の周知のハウジングであってよい。ハウジング12は、TFG14のエレメントを同じ場所に配置するため、及び/又は、ハウジング12内の他の近位に他のエレメントを配置するように、構造体を提供する。ある実施形態では、TFG14は、シリコンをガラス基板にボンディングすることにより形成された実質的に密封されたキャビティ16内に配置される。実質的に密封されたキャビティ16は、TFG14のセンスエレメントの間に分離を設け、以下に記すようにエレクトロニクスを駆動する。
FIG. 1 is a schematic diagram of a microelectromechanical system (MEMS)
ある実施形態では、TFG14は、プルーフマス(proof mass)18、モータ駆動コーム20、モータピックオフコーム22、及びセンスプレート24を含む。プレアンプ26は、ハウジング12内に包含され、電気的に接続され、又は、プルーフマス18及びセンスプレート24の組み合わせを互いに接続する。プレアンプ26及びTFG14は、共通の構造体に共に形成され、ある実施形態では、電気的に接続される。他の実施形態では、プレアンプ26は、プルーフマス24に電気的に接続される。プレアンプ26の出力は、センスエレクトロニクス28に送信され、また別の実施形態では、プレアンプ26は、センスエレクトロニクス28内に組み入れられる。たとえどの構成が利用されても、TFG14と1又は2のプレアンプ26とセンスエレクトロニクス28との間の電気的接続は、ジャイロスコープ10に関して機能的に存在する。
In some embodiments, the
更に、モータピックオフコーム22の出力30は、フィードバックモニタ32に転送される。フィードバックモニタ32は、モータ駆動コーム20に電力供給する駆動エレクトロニクス36に出力信号34を提供する。他の実施形態では、フィードバックモニタ32は、駆動エレクトロニクス36内に組み入れられる。再び、TFG14のエレメントに対する接続は、ジャイロスコープ10が機能するようにフィードバックモニタ32及び駆動エレクトロニクス36に対してなされる。MEMSジャイロスコープ10はまた、システムパワーソース及び、例示を容易にするために図1には示さなかった他の作動エレクトロニクスを含むことができる。
Further, the
モータ駆動コーム20は、プルーフ・マス18のインターディジテイティッド・コーム歯と駆動コーム20との間に電圧を印加することにより静電力を利用してプルーフ・マス18を励起させる。モータピックオフコーム22は、プルーフ・マス18の電極の電圧信号を監視することによりプルーフ・マス18の励起又は振動を監視する。モータピックオフコーム22は、フィードバック信号をフィードバックモニタ32に出力する。フィードバックモニタ32は、駆動エレクトロニクス36に入力される出力34を提供する。プルーフ・マス18が、早すぎる又は遅すぎる振動をはじめたら、駆動エレクトロニクス36は、プルーフ・マス18が共鳴振動数で振動するように、振動周波数を調節する。かかる周波数での励起は、生成されるべきより高いおおきさの出力信号を可能にする。ここで、プレアンプ26、センスエレクトロニクス28、フィードバックモニタ32、及び、駆動エレクトロニクスは、ジャイロスコープエレクトロニクスとして集合的に扱う。
The
上述し、図に例示したように、ジャイロスコープエレクトロニクスとTFG14の密封されたキャビティとの間に電気的接続がなされるべきである。キャビティ16に関する密封を維持している間、かかる接続を作ることを示すことは、図2及び図3について説明し例示するように困難である。
As described above and illustrated in the figures, an electrical connection should be made between the gyroscope electronics and the sealed cavity of the
図2は、気密密封キャビティ50を形成するために、ガラス基板にシリコンをボンディングするある周知の方法を図示した断面図である。ガラス基板52は、ボンディング表面58をも備えたシールリング56がアノードボンディングされる、ボンディング表面54を含む。かかる実施形態で示された、シールリング56は、完全に取り囲んでいるが、第2のシリコン構造体60には接続されていない、連続シールリングである。ある実施形態では、シールリング56はシリコンでできている。例えば、シリコン構造体60は、(図1に示したような)チューニングフォークジャイロスコープ14に限定されないが、かかるチューニングフォークジャイロスコープ14を含む振動センサであってよい。ボンディング表面64を備えた第2のガラス基板62は、シールリング56のボンディング表面66に実質的にボンディングされ、それは第2のシリコン構造体60ではなく、そこでキャビティ50を形成する。他の実施形態では、シールリング56は、第2のガラス基板62に最初にボンディングされる。リングと呼んでいるが、シールリング56は、特定の用途に関して必要とされるキャビティを形成するのに有用な全てのあらゆる形状を含むと理解されるべきである。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating one known method of bonding silicon to a glass substrate to form a hermetically sealed
図3は、図2に介して記述された構造体を図示するが、キャビティ50の内から外側の位置に導線70を追加したものである。図2のものと共通である図3のコンポーネントは、同じ参照番号を使用して示されている。導線70は、キャビティ50の外側(図示せず)回路とシリコン構造体60との間に導通を提供するようにガラス基板52上に配置される。単一の導線70が示されているが、例えば、(図1に示した)チューニングフォークジャイロスコープ14とジャイロスコープエレクトロニクスとの間のように、シリコン構造体60とキャビティ50の外側回路との間に複数の導線70が必要な例が存在することは理解されるであろう。図3は更に、導線70が利用されるとき、ガラス基板52のボンディング表面54の少なくとも一部と、シールリング56のボンディング表面58の少なくとも一部とが、もはや接触していないことを図示する。更に、ボンディング表面54と58が実質的に平らなので、ボンディング表面58の領域は、ボンディング表面54と接触することができず、気密密封キャビティ50を維持することは困難である。言い換えれば、ボンディング表面54と58との間のルーティング導線70は、ボンディング表面54と58の一部が、導線70の存在によって互いに分離するので、気密密封を危険にさらす。
FIG. 3 illustrates the structure described through FIG. 2 with the addition of a
図4は、シリコン−ガラスMEMSプロセスの少なくとも一部で形成された気密密封キャビティ内に電気信号を通すための改良された構造体を示す。図4に図示された実施形態は、電気信号を気密密封キャビティ84内に通すことが望まれる、ガラス基板80に少なくとも1つの凹部82が形成された、修正されたガラス基板80を利用する。導線86は、凹部82に形成され、基板80の上部表面88に延びる。ある実施形態では、導線86は、金属から製造され、導電性である。
FIG. 4 shows an improved structure for passing electrical signals within a hermetically sealed cavity formed at least in part of a silicon-glass MEMS process. The embodiment illustrated in FIG. 4 utilizes a modified
拡張部88が、電気回路に接続するために、シールリング90が配置されるべき外側領域に、及び、キャビティ84内に延びるように、導線86は構成される。ある実施形態では、シールリング90はシリコンからなる。ガラスディポジット92は凹部82内に配置され、図5に関して更に記述される方法により導線86の頂部に配置される。ガラスディポジット92は、シールリング90のためにボンディング表面94を提供する。それ故、上述の実施形態は、ガラス基板80の表面よりも下に電気的経路を実質的に生成することにより、上述の密封問題を解決する。更に、実質的に平坦な表面94は、シールリング90の表面96とボンディングを提供し、シリコン構造体98の作動に関して必要な、キャビティ84についての気密密封を生成する。
The conductor 86 is configured such that the
図4に記載された構造体が複数の方法で製造されうることに注意すべきである。例えば、シリコン構造体98、ガラス基板80条に配置されたシリコンウェハ(図示せず)から製造され、シールリング90は、第2のガラス基板62に配置されたシリコンウェハ(図示せず)から製造され得る。ガラス基板80(及び関連した位置のガラスディポジット92)にシールリング90と第2のガラス基板62を配置することにより、密封されたキャビティ84が形成される。別の実施形態では、シールリング90は、ガラス基板80上に形成され、シリコン基板98は第2のガラス基板62上に形成される。また、シールリング90及びシリコン基板98は、ガラス基板80又は第2のガラス基板62のいずれかに配置された単一のシリコンウェハ(図示せず)から形成され得る。どちらの方法が利用されても、シールリングの少なくとも一部はガラスディポジット92と密封を形成するように製造され、シールリング90の一部はガラス基板80の一部と密封を形成するように製造されるという結果となる。
It should be noted that the structure described in FIG. 4 can be manufactured in several ways. For example, the
図5は、図4に図示した構造と同様に、キャビティの周りで機密密封を維持しながら、電気信号をキャビティ内に提供するためのプロセスを図示する。図5Aを参照すると、ガラス基板100は、基板100の表面104に形成された少なくとも一つの凹部102を有する。特定の実施形態では、凹部102は、電気信号のための電気的フィードスルーが必要などのような場所でもガラス基板100にエッチングされる。図5Bに示したように、伝導リード106が配設され、凹部102中及びその周りにパターニングされる。図5Cは、基板100の全体表面104の上に配置されたガラス層108を図示する。ガラス層108は、凹部102と伝導リード106との両方をカバーする。
FIG. 5 illustrates a process for providing an electrical signal in the cavity while maintaining a hermetic seal around the cavity, similar to the structure illustrated in FIG. Referring to FIG. 5A, the
図5Dを参照すると、次いで、ガラス層108は、リード106の第1のコンタクト110及び第2のコンタクト112が晒されるレベルまで、化学機械的研磨又は他の技術を利用して平坦化される。このプロセスは、凹部102内に伝導リード106を残し、取り囲むガラス表面116を備えた実質的に平面である表面114を提供する。他の実施形態では、ガラス層108は、第2のレベルまで平坦化され、次いで、平坦化されたガラス層は、リード106の第1のコンタクト110及び第2のコンタクト112が晒されるレベルまでエッチングされる。
Referring to FIG. 5D, the
図5Eに示すように、伝導リード106の第1のコンタクト110及び第2のコンタクト112が晒されているので、それらに、例えば電気回路(図示せず)に対する電極118を取り付けることができる。図5Fを参照すると、次いで、シリコンウェハ120が(図示しない表面116にボンディングする)平坦化された基板表面114及び116にボンディングされ、それにより、伝導リード106は、シリコンウェハ120の下に行き、シリコンウェハ120とガラス基板100(ガラス層108)の間の気密密封を損ねることを無くさせる。伝導リード106は、(図4に示した)導線86と機能的及び構造的に等しい。
As shown in FIG. 5E, the
図6は、気密密封されたキャビティ134からの電気的フィードスルー132を利用したMEMSジャイロスコープ130の概略図である。気密密封されたキャビティ134は、チューニングフォークジャイロスコープ(TFG)136のための動作環境を提供する。電気的フィードスルー132は、(図4に示した)導線86の利用を介して提供される。ここでのTFG136の目的は、(図4に示した)シリコン構造体98のある実施形態を考慮しうる。実質的に密封されたキャビティ134は、TFG136のセンスエレメントと駆動エレクトロニクスの間に分離を設ける。プレアンプ26とTFG136、フィードバックモニタ32とTFG136、及び、駆動エレクトロニクス36とTFG136は、導線86を利用して電気的に接続される。他の構成では、図1に関して記載されたのと同様に、導線86は、TFG136とジャイロスコープエレクトロニクスとの間に電気的接続を提供する。
FIG. 6 is a schematic diagram of a
図7は、シリコン−ガラスMEMSプロセスを利用した気密密封されたキャビティ152を提供するための別の構造体150を図示する。(図4に示したような)第2のガラス基板及びシールリングではない、構造体150では、そこに形成された凹部156を備えたシリコンデバイス154が、キャビティ152を形成するのに利用される。キャビティ152を形成するために、ガラス基板158は、シリコンデバイス154とボンディングされる。
FIG. 7 illustrates another
ガラス基板158の表面の下で電気経路を提供するために、ガラス基板158は、電気信号を気密密封されたキャビティ152内に通すのが望まれる、ガラス基板158内に形成された凹部160を含む。ある実施形態では導線である、伝導リード162は、凹部160内に形成され、基板158の上部表面164に延びる。ガラスディポジット166は、凹部160内に配置され、上述のプロセスを利用してリード168の頂部に配置される。ガラスディポジット166は、シリコン基板154のボンディング表面172とボンディングするためのボンディング表面170を提供し、それにより気密密封されたキャビティ152を構成することができる。
In order to provide an electrical path below the surface of the
図8は、シリコン−ガラスMEMSプロセスを利用した気密密封されたキャビティ202を提供するための構造体200の別の実施形態(の断面図)を図示する。構造体200では、修正されたガラス基板204は、ガラス基板208に取り付けられた、又は、取り付けられ得るシールリング206に沿ってキャビティ202を形成する際に利用される。少なくとも一つの凹部210は、電気信号を気密密封されたキャビティ202内に通すのが望まれる、ガラス基板204内に形成される。伝導リード212は、凹部210に形成され、デバイス216に接続させるために、基板204の上部表面214に延びる。ある実施形態では、伝導リード212は、導電性であり、金属から製造される。ある実施形態では、シールリング206は、シリコンから作られる。
FIG. 8 illustrates another embodiment (a cross-sectional view) of a structure 200 for providing a hermetically sealed
リード212は、デバイス216に接続させるためにキャビティ202内に延び、部分220は、シールリング206が、電気回路(図示せず)に接続させるために最終的に配置される外側領域に延びる。伝導リード212の上部表面222は、凹部210内にあり、上部表面222は、基板204の上部表面224の下にあり、シールリングと気密密封を作るのは困難である。かかる密封の困難性を解決するために、ガラスディポジット226は、凹部210内で、伝導リード212の上部表面222に配置される。ガラスディポジット226は、上部表面228が、基板204の上部表面224と同じレベルで形成されるように平坦化される。ガラスディポジット226の上部表面228は、密封されたキャビティ202を形成し、シリコン基板230の適当な作動をさせるためにシールリング206に最終的にボンディングされる。それ故、上述の実施形態は、ガラスディポジット226の下に電気的経路を実質的に作ることにより、上記密封の問題を解決する。更に、実質的に平坦な表面(上部表面228)は、シールリング206の表面232とボンディングされ、シリコン構造体230の作動に必要であろうキャビティ202の気密密封を作り出す。
図示しなかったけれども、例えば、MEMS圧力センサ、共振器、温度センサなどのデバイスが、図7及び8に図示した構造体を利用して構成されうることは考慮されるべきである。更に、図4,7及び8の構造体の間の差は、MEMSデバイスに関する異なる製造実施形態だけを示していることにも注意すべきである。更に、加速度計、圧力センサデバイス、及び、他のMEMSデバイスに限定されないが、それらを含む他のデバイスは、図4、7及び8にかんして記載され、示されたような電気的フィードスルーを利用することも考慮すべきである。 Although not shown, it should be considered that, for example, devices such as MEMS pressure sensors, resonators, temperature sensors, etc. can be constructed utilizing the structures illustrated in FIGS. It should further be noted that the differences between the structures of FIGS. 4, 7 and 8 represent only different manufacturing embodiments for MEMS devices. In addition, other devices including, but not limited to accelerometers, pressure sensor devices, and other MEMS devices may have an electrical feedthrough as described and illustrated with respect to FIGS. Use should also be considered.
実質的に密封されたキャビティ内に電気的フィードスルーを提供するための上述の実施形態は、電気的フィードスルーを利用した該キャビティを密封する周知の方法を改良する。周知の方法は、図3に関して記載したように、電気的フィードスルーとガラス表面の両方に包含される平らでないトポグラフィーにわたって密封を試みることを含む。平坦でない表面のために、気密密封を破壊する領域を非ボンディングする結果となる。 The above-described embodiment for providing an electrical feedthrough within a substantially sealed cavity improves upon known methods of sealing the cavity utilizing an electrical feedthrough. Known methods include attempting a seal over the uneven topography encompassed by both the electrical feedthrough and the glass surface, as described with respect to FIG. The non-planar surface results in non-bonding areas that break the hermetic seal.
上述の実施形態は、電気的フィードスルーを気密密封されたキャビティ内に提供する。しかしながら、ここで記載された方法及び構造は、密封されたキャビティ内外に電気伝導を通すことを含む他の用途にも広がることに注意すべきである。例えば、記載された電気的フィードスルーはまた、パターニングされたシリコンウェハから製造されたシリコン構造体の部分の間に電気伝導を提供するのに利用することができる。更に特別な例では、(図4に示した)シリコン構造体98の部分の間、及び、(図8に示した)シリコン構造体230の部分の間に電気伝導を通すことができる。かかる方法は、ガラス基板に配置され又は取り付けることができうるいかなる電気的コンポーネントの間にも電気伝導を提供することに広がる。 The above-described embodiments provide an electrical feedthrough in a hermetically sealed cavity. However, it should be noted that the methods and structures described herein extend to other applications including conducting electrical conduction into and out of sealed cavities. For example, the described electrical feedthrough can also be utilized to provide electrical conduction between portions of a silicon structure fabricated from a patterned silicon wafer. In a more specific example, electrical conduction may be passed between portions of the silicon structure 98 (shown in FIG. 4) and between portions of the silicon structure 230 (shown in FIG. 8). Such methods extend to providing electrical conduction between any electrical components that can be placed on or attached to a glass substrate.
ここで記載した方法は、平滑なガラス表面の下に実質的に埋め込まれたフィードスルーの利用を含み、シリコンとガラスの間のより良好な密封を行うことを含む。それ故、本発明を種々の実施形態によって記載したが、当業者は、本発明が特許請求の範囲の精神及び範囲内での修正が可能であることを認識するであろう。 The method described herein involves the use of a feedthrough that is substantially embedded under a smooth glass surface and includes providing a better seal between silicon and glass. Thus, while the invention has been described in terms of various embodiments, those skilled in the art will recognize that the invention can be modified within the spirit and scope of the claims.
Claims (19)
前記伝導経路を前記キャビティ内に通す場所で、ガラス基板(80)に凹部(82)を形成し、
前記凹部とその周りに伝導リード(86)を形成し、
基板の上、凹部の中、及び、伝導リードの上にわたってガラス層(92)を堆積させ、
前記伝導リードの一部が晒されるように、前記伝導リードのレベルまで前記堆積されたガラス層を平坦化させ、
前記ガラス層の少なくとも一部に密封表面(94)を形成し、
前記平坦化されたガラス層の密封表面にシリコンをボンディングさせ、
るステップを有し、
各リードのある一の部分(88)が密封されたキャビティ内にあり、各リードの他の一の部分が密封されたキャビティの外側にあるように、シリコンが位置決めされた、
ことを特徴とする気密密封されたキャビティ(84)内に伝導経路を提供するための方法。 A method for providing a conduction path in a hermetically sealed cavity (84), wherein the sealed cavity is formed utilizing a silicon-glass microelectromechanical structure (MEMS) process;
Forming a recess (82) in the glass substrate (80) where the conduction path passes through the cavity;
Forming a conductive lead (86) around the recess and
Depositing a glass layer (92) over the substrate, in the recesses and over the conductive leads;
Planarizing the deposited glass layer to the level of the conductive lead so that a portion of the conductive lead is exposed;
Forming a sealing surface (94) on at least a portion of the glass layer;
Bonding silicon to the sealing surface of the planarized glass layer;
Steps
The silicon was positioned so that one part (88) of each lead was in the sealed cavity and the other part of each lead was outside the sealed cavity;
A method for providing a conduction path in a hermetically sealed cavity (84).
前記平坦化されたガラス層にシールリング(90)をボンディングさせ、
第2のガラス基板(208)にシールリングをボンディングさせる、
ステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 Bonding silicon to the planarized glass layer (92) comprises:
Bonding a seal ring (90) to the flattened glass layer;
Bonding a seal ring to the second glass substrate (208);
The method of claim 1, comprising steps.
各リードに関して第1のコンタクト(110)及び第2のコンタクト(112)を晒すために、前記堆積されたガラス層を平坦化させ、
各リードの前記第1のコンタクト及び第2のコンタクトに電極(118)を取り付ける、
ステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 Further planarizing the deposited glass layer (108) to the level of the conductive lead (86);
Planarizing the deposited glass layer to expose the first contact (110) and the second contact (112) for each lead;
Attaching electrodes (118) to the first and second contacts of each lead;
The method of claim 1, comprising steps.
電気信号を前記密封されたキャビティ内に通す場所に、凹部(82)を備えたガラス基板(80)と、
前記凹部とその周りに堆積された伝導リード(86)と、
前記構造体の上にわたって堆積されたガラス層(92)とを有し、前記ガラス層が更に、前記凹部及び前記伝導リードの上に堆積され、前記ガラス層が、前記凹部の周りの前記伝導リードの一部(88)のレベルまで平坦化され、
キャビティを形成するために前記平坦化されたガラス層にボンディングされたシリコン(154)とを有し、前記シリコンが、前記各々の伝導リードのある一部が密封されたキャビティ内にあり、前記各々の伝導リードの他の一部が密封されたキャビティ外にあるように製造されたことを特徴とする構造体。 A structure having a hermetically sealed cavity (84), wherein the structure comprises at least one electrically conductive path that passes from outside to inside of the sealed cavity, the structure comprising:
A glass substrate (80) with a recess (82) at a location where an electrical signal is passed through the sealed cavity;
The recess and a conductive lead (86) deposited therearound;
A glass layer (92) deposited over the structure, wherein the glass layer is further deposited over the recess and the conductive lead, the glass layer being the conductive lead around the recess. To a level of part of (88),
Silicon (154) bonded to the planarized glass layer to form a cavity, wherein the silicon is in a cavity in which a portion of each of the conductive leads is sealed, A structure characterized in that it is manufactured such that the other part of the conductive lead is outside the sealed cavity.
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置されたジャイロスコープエレクトロニクス(28,36)と、
前記ハウジング内に気密密封されたキャビティ(134)を定義する構造体と、
前記気密密封されたキャビティ内に配置されたチューニングフォークジャイロスコープ(136)とを有し、前記構造体が、
前記ジャイロスコープエレクトロニクスと前記チューニングフォークジャイロスコープとの間に電気伝導を提供する複数の電気的フィードスルー(132)と、
凹部(82)を備えたガラス基板(80)とを含み、前記凹部が、気密密封されたキャビティの内外に前記電気的フィードスルーを通し、
前記構造体の上にわたって堆積されたガラス層(92)とを含み、前記ガラス層が更に、前記凹部の電気的フィードスルーの上にわたって堆積され、前記ガラス層が、前記凹部の周りの前記電気的フィードスルーの一部(88)のレベルまで平坦化され、
前記平坦化されたガラス層にボンディングされたシリコン(154)とを含み、前記電気的フィードスルーの各々のある一部が気密密封されたキャビティの内側にあり、前記電気的フィードスルーの各々の他のある一部が前記気密密封されたキャビティの外側にあるように前記シリコンが製造された、ことを特徴とする微小電子機械システム(MEMS)ジャイロスコープ(130)。 A microelectromechanical system (MEMS) gyroscope (130)
A housing;
Gyroscope electronics (28, 36) disposed within the housing;
A structure defining a hermetically sealed cavity (134) in the housing;
A tuning fork gyroscope (136) disposed within the hermetically sealed cavity, the structure comprising:
A plurality of electrical feedthroughs (132) that provide electrical conduction between the gyroscope electronics and the tuning fork gyroscope;
A glass substrate (80) with a recess (82), wherein the recess passes the electrical feedthrough into and out of a hermetically sealed cavity;
A glass layer (92) deposited over the structure, wherein the glass layer is further deposited over the electrical feedthrough of the recess, and the glass layer is electrically connected around the recess. Flattened to the level of part of the feedthrough (88),
Silicon (154) bonded to the planarized glass layer, wherein a portion of each of the electrical feedthroughs is inside a hermetically sealed cavity and the other of each of the electrical feedthroughs The microelectromechanical system (MEMS) gyroscope (130), wherein the silicon is fabricated such that a portion of is located outside the hermetically sealed cavity.
電気的経路を前記キャビティ内に通す所で、ガラス基板(80)に凹部(82)を形成し、
前記凹部とその周りに伝導リード(86)を堆積させ、
前記基板の上、前記凹部の中、及び、前記リードの上にガラス層(92)を堆積させ、
前記凹部の周りのリードの一部(88)のレベルまで前記堆積されたガラス層を平坦化させ、各リードに関する第1のコンタクト(110)及び第2のコンタクト(112)を露出させ、
前記リードに関する第1のコンタクトと接触するようにチューニングフォークジャイロスコープを配置させ、
各リードに関する第2のコンタクトにジャイロスコープエレクトロニクスを接続させる、ことを特徴とする方法。 A method for providing electrical conduction between a tuning fork gyroscope (14) and a gyroscope electronics (28, 36), wherein the tuning fork gyroscope is disposed within a hermetically sealed cavity (84). ,
Forming a recess (82) in the glass substrate (80) where an electrical path passes through the cavity;
Depositing conductive leads (86) around the recesses;
Depositing a glass layer (92) on the substrate, in the recess and on the leads;
Planarizing the deposited glass layer to the level of a portion of the lead (88) around the recess, exposing a first contact (110) and a second contact (112) for each lead;
Placing a tuning fork gyroscope in contact with the first contact on the lead;
Connecting the gyroscope electronics to a second contact associated with each lead.
各リード(86)の第1の部分(88)が密封されたキャビティの内側にあり、各リードの第2の部分が密封されたキャビティの外側になるようにシリコンが構成された、
ことを特徴とする請求項9に記載の方法。 Bonding silicon (154) to the planarized glass layer (92) to form and seal a hermetically sealed cavity (84);
The silicon was configured such that the first portion (88) of each lead (86) was inside the sealed cavity and the second portion of each lead was outside the sealed cavity;
The method of claim 9.
前記平坦化されたガラス層にシールリング(90)をボンディングさせ、
第2のガラス基板(208)に前記シールリングをボンディングさせる、
ステップを有することを特徴とする請求項10に記載の方法。 Bonding silicon (154) to the planarized glass layer (92),
Bonding a seal ring (90) to the flattened glass layer;
Bonding the seal ring to a second glass substrate (208);
The method of claim 10, comprising steps.
前記キャビティ内に電気伝導経路を通す場所に、ガラス基板(80)に凹部(82)を形成し、
前記凹部(86)に該凹部の外に延びる(88)リードを形成し、
伝導リードの上にガラスディポジット(92)を堆積させ、該堆積により前記凹部を満たし、且つ、露出されたリードの端を残し、
気密密封が形成されるように、基板の上部表面(104)のレベルまで前記ガラスディポジットを平坦化させ、
基板の上部表面及び前記平坦化されたガラスディポジットにシリコンウェハ(120)をボンディングさせ、各リードのある一部が密封されたキャビティ内にあり、各リードの他の一部が密封されたキャビティの外側にあるようにウェハが位置決めされた、
ことを特徴とする方法。 A method for providing an electrically conductive path in a hermetically sealed cavity (84), wherein the sealed cavity is formed utilizing a silicon-glass microelectromechanical structure (MEMS) process;
Forming a recess (82) in the glass substrate (80) at a location where an electrical conduction path is passed through the cavity;
Forming a lead (88) extending out of the recess (86) in the recess (86);
Depositing a glass deposit (92) over the conductive leads, filling the recesses by the deposition and leaving exposed lead ends;
Planarizing the glass deposit to the level of the upper surface (104) of the substrate so that an airtight seal is formed;
Bonding a silicon wafer (120) to the top surface of the substrate and the planarized glass deposit, one part of each lead is in a sealed cavity and the other part of each lead is in a sealed cavity. The wafer was positioned to be on the outside,
A method characterized by that.
前記平坦化されたガラス層にシールリング(90)をボンディングさせ、
第2のガラス基板(208)に前記シールリングをボンディングさせる、
ステップを有することを特徴とする請求項14に記載の方法。 Bonding (154) a silicon wafer (120) to the planarized glass deposit (92);
Bonding a seal ring (90) to the flattened glass layer;
Bonding the seal ring to a second glass substrate (208);
15. The method of claim 14, comprising steps.
電気信号が前記密封されたキャビティ及び上部表面(104)に通る場所に、凹部(82)を備えたガラス基板(80)と、
前記凹部に堆積された伝導リード(86)と、
前記伝導リードに堆積されたガラスディポジット(92)とを有し、前記ガラスディポジットが、前記基板の上部表面のレベルまで平坦化された上部表面を備え、
前記ガラスディポジットの前記上部表面と前記基板の前記上部表面とにボンディングされた(154)シリコンとを有し、前記シリコンが、前記各伝導リードのある一部が前記密封されたキャビティの内側にあり、前記各伝導リードの他の一部が前記密封されたキャビティの外側にあるように製造されたことを特徴とする構造体。 A structure comprising a hermetically sealed cavity (84), the structure having at least one electrically conductive path from outside the cavity to the sealed cavity;
A glass substrate (80) with a recess (82) where electrical signals pass through the sealed cavity and upper surface (104);
Conductive leads (86) deposited in the recesses;
A glass deposit (92) deposited on the conductive leads, the glass deposit comprising an upper surface planarized to the level of the upper surface of the substrate;
(154) silicon bonded to the upper surface of the glass deposit and the upper surface of the substrate, the silicon being partly within the sealed cavity with each conductive lead. The structure is manufactured such that another part of each conductive lead is outside the sealed cavity.
電気伝導が確立されるように、ガラス基板(80)に凹部(82)を形成し、
前記凹部の外に延びる(88)伝導リード(86)を前記凹部内に堆積させ、
前記伝導リードの上にガラスディポジット(92)を形成し、前記凹部を満たし、
電気伝導のために伝導リードの一部を露出させる、
ステップを有することを特徴とする方法。 A method for providing electrical conduction between components comprising:
Forming a recess (82) in the glass substrate (80) so that electrical conduction is established;
Depositing conductive leads (86) extending out of the recess (88) into the recess;
Forming a glass deposit (92) on the conductive lead, filling the recess,
Exposing a portion of the conductive lead for electrical conduction,
A method comprising steps.
前記凹部(82)を満たし、前記ガラス基板(80)を覆うガラスを堆積させるステップを有することを特徴とする請求項17に記載の方法。 Forming a glass deposit (92) on the conductive lead (86);
18. The method of claim 17, comprising depositing glass that fills the recess (82) and covers the glass substrate (80).
19. Exposing a portion (88) of the conductive lead (86) comprises planarizing a glass deposit (92) to expose a portion of the conductive lead. The method described in 1.
Applications Claiming Priority (2)
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